GUÍA DE DISEÑO PARA LÍNEAS DE CONDUCCIÓN E IMPULSIÓN DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA RURALLima, 2004 El presente documento fue elaborado por el consultor ingeniero Salvador Tixe para la Unidad de Apoyo Técnico en Saneamiento Básico Rural del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. . ....3..................................................................OPS/CEPIS/04. Caudal de diseño .............................................................................. Estructuras complementarias . 8.................................................... 4 Definiciones ................ Dimensionamiento ............................................................ 4 Aplicación ...... 14 7............................................................. 7 6..... Tuberías ........... 11 7................................... 5..................................................... 5 6......................................................................... Ábaco de Allievi .... Altura dinámica total (Ht) .....................6......105 UNATSABAR Contenido Pagina 1.....3.......... Tuberías ........ 12 7................................................................ 2..............................5................ 14 Problemas especiales en el trazo de la línea de conducción e impulsión .......................................... Caudal de diseño ................................. 16 Anexo Anexo 1.......... 7 6........................................................ Selección de diámetro ................................. 17 .....5........................................... 4 Trazado ............ Línea gradiente hidráulica ............. 11 7....... 12 7.............................. 4............................................................. Diámetros ....................................... 5 Diseño de la línea de conducción ...................................... 6..........6................................................................ 4 Información Básica ................................................4.................................................................................................4....................................2..............................................................1........................... 12 7............ 5 6............................................................... Calculo del fenómeno de golpe de ariete .......... Objetivo ......................... Carga estática y dinámica ........ 5 6.......................... 3............................................. Bibliografía ........................................................................ 6 6.................. 9 Diseño de la línea de Impulsión ......7.......................................... 13 7..............................................................................2..1......................... Estructuras complementarias .......... 14 7........ . . . dentro de su longitud se ubica la planta de tratamiento. . Carga dinámica: En cualquier punto de la línea. Línea de conducción: En un sistema por gravedad. Pérdida por tramo (Hf): Viene a representar el producto de pérdida de carga unitaria por la longitud del tramo de tubería. es el tramo de tubería que conduce el agua desde la estación de bombeo hasta el reservorio. . Objetivo Establecer criterios para el diseño de líneas de conducción e impulsión de sistemas de abastecimiento de agua rural.105 UNATSABAR Guía de diseño para líneas de conducción e impulsión de sistemas de abastecimiento de agua rural 1. . . con la finalidad de evitar daños a la tubería. Línea de impulsión: En un sistema por bombeo. Válvula de purga: Válvula ubicada en los puntos más bajos de la red o conducción para eliminar acumulación de sedimentos. es la tubería que transporta el agua desde el punto de captación hasta el reservorio. -4- . 4. Válvula de aire: Válvula para eliminar el aire existente en las tuberías. Línea gradiente hidráulica: Es la línea que indica la presión en columna de agua a lo largo de la tubería bajo condiciones de operación. . . .OPS/CEPIS/04. Definiciones Cámaras rompe presión: Estructura que permite disipar la energía y reducir la presión relativa a cero (presión atmosférica). Se expresa en m/km o m/m. Aplicación La aplicación de la presente guía será en sistemas rurales y pequeñas localidades. . se las ubica en los puntos altos de la línea. Golpe de ariete: Se denomina a la sobrepresión que reciben las tuberías. Cuando la fuente es agua superficial. Reservorio: Es la instalación destinada al almacenamiento de agua para mantener el normal abastecimiento durante el día. Pérdida de carga unitaria (hf): Es la pérdida de energía en la tubería por unidad de longitud debida a la resistencia del material del conducto al flujo del agua. Nivel de carga estática: Representa la carga máxima a la que puede estar sometida una tubería al agua cuando se interrumpe bruscamente el flujo. Información básica Para el diseño se requiere de: 3. representa la diferencia de la carga estática y la pérdida de carga por fricción en la tubería. por efecto del cierre brusco del flujo de agua. . 2. 1 Caudal de diseño Para el diseño de líneas de conducción se utiliza el caudal máximo diario para el período del diseño seleccionado. vigilancia y operación. 6. h) Establecer los puntos donde se ubicarán instalaciones. nivel freático alto.2 Carga estática y dinámica La Carga Estática máxima aceptable será de 50 m y la Carga Dinámica mínima será de 1 m. cementerios y otros servicios. e) Calidad fisicoquímico de la fuente. Estudio de suelos y si es el caso estudio geológico para determinar la estabilidad del terreno. Diseño de la línea de conducción 6.OPS/CEPIS/04. 6. c) Evitar cruzar por terrenos privados o comprometidos para evitar problemas durante la construcción y en la operación y mantenimiento del sistema. terrenos aluviales. márgenes de ríos. Investigación de la fuente: Caudal y temporalidad Plano topográfico de la ruta seleccionada. a) Evitar pendientes mayores del 30% para evitar velocidades excesivas. operación y mantenimiento. Trazado Se tomará en cuenta lo siguiente: 5. f) Evitar zonas vulnerables a efectos producidos por fenómenos naturales y antrópicos. -5- . producto de la excavación.105 UNATSABAR a) b) c) d) Información de la población. u otros accesorios especiales que necesiten cuidados. e) Utilizar zonas que sigan o mantengan distancias cortas a vías existentes o que por su topografía permita la creación de caminos para la ejecución. g) Tener en cuenta la ubicación de las canteras para los préstamos y zonas para la disposición del material sobrante. válvulas y accesorios. d) Mantener las distancias permisibles de vertederos sanitarios. b) En lo posible buscar el menor recorrido siempre y cuando esto no conlleve a excavaciones excesivas u otros aspectos. En este último caso. PERDIDA DE ENERGIA CARGA ESTATICA CARGA DINAMICA RESERVORIO ELEVACION PERFIL DE LA LINEA DE CONDUCCION DISTANCIA Figura 1.OPS/CEPIS/04. CLASE 5 75 LIMITE DE TUB.105 UNATSABAR CAPTACION L.3 Tuberías Para la selección de la clase de tubería se debe considerar los criterios que se indican en la figura 2. Presiones de trabajo para diferentes clases de tubería de PVC Se deberá seleccionar el tipo de tubería en base a la agresividad del suelo y al intemperismo.H . de usarse el fierro galvanizado se le dará una protección especial. -6- . Cargas estática y dinámica de la línea de conducción 6. CAPTACION 0 NIVEL DE CARGA ESTATICA LI NE A DE GR AD IE NT E HI DR AU LI CA PERFIL DEL TERRENO ELEVACION RESERVORIO 50 LIMITE DE TUB. CLASE 10 150 LIMITE DE TUB.5 15 CARGA ESTATICA (m) 50 m 75 m 100 m 150 m Figura 2.5 100 LIMITE DE TUB.G. CLASE 15 DISTANCIA TRAMO TUBERIA CLASE TUBERIA CLASE TUBERIA CLASE TUBERIA CLASE 5 5 7. CLASE 7. 6 m/s y máxima de 3.4 Diámetros El diámetro se diseñará para velocidades mínima de 0. se tenga que optar por tubería expuesta. El diámetro mínimo de la línea de conducción es de 3/4” para el caso de sistemas rurales. se seleccionará por su resistencia a impactos y pueda instalarse sobre soportes debidamente anclados. -7- .5 Estructuras complementarias a) Cámara de válvula de aire El aire acumulado en los puntos altos provoca la reducción del área del flujo del agua. TUBERIA DE ENTRADA TUBERIA DE SALIDA Figura: 3. siendo necesario instalar válvulas de purga que permitan periódicamente la limpieza de tramos de tuberías (figura 4).105 UNATSABAR Aquella en caso que por la naturaleza del terreno. 6. produciendo un aumento de pérdida de carga y una disminución del gasto. provocan la reducción del área de flujo del agua. 6.OPS/CEPIS/04. Para evitar esta acumulación es necesario instalar válvulas de aire automáticas (ventosas) o manuales (figura 3).0 m/s. Válvula de aire manual b) Cámara de válvula de purga Los sedimentos acumulados en los puntos bajos de la línea de conducción con topografía accidentada. S=1% TUB. Cámara rompe-presión -8- .OPS/CEPIS/04.105 UNATSABAR SALIDA DE SEDIMENTOS TUBERIA DE LA LINEA DE CONDUCCION Figura 4. SALIDA Figura 5. En este caso se sugiere la instalación de cámaras rompe-presión cada 50 m de desnivel. La tubería de ingreso estará por encima de nivel del agua (figura 5). pueden generarse presiones superiores a la máxima que puede soportar la tubería. Válvula de purga c) Cámara rompe-presión Al existir fuerte desnivel entre la captación y algunos puntos a lo largo de la línea de conducción. ENTRADA TUB. b) Pérdida de carga unitaria (hf) Para el propósito de diseño se consideran: Ecuaciones de Hazen y Williams para diámetros mayores a 2 pulgadas o hay fórmulas diámetros menores a 2 pulgadas como la de Fair Whipple. Es la pérdida de carga que se produce de 1 a 2 Si V1 = V2 y como el punto 1 esta a presión atmosférica. En los puntos críticos se podrá cambiar el diámetro para mejorar la pendiente.OPS/CEPIS/04. Se determina mediante la ecuación de Bernoulli. Donde: Z P/γ V Hf Z1 + P1/γ + V12/2g = Z2 + P2/γ + V22/2g + Hf = = = = Cota de cota respecto a un nivel de referencia arbitraria. Q = α1 x C x D 2. H. Altura de carga de presión “P es la presión y γ el peso Especifico del fluido” (m) Velocidad media del punto considerado (m/s). G.Z2 – Hf (figura 6).63 x hf 0. se tendrán en cuenta las siguientes condiciones: a) La Línea gradiente hidráulica (L.57 (α2: Constante) Fair Whipple hf = Hf / L (Hf: pérdida de carga por tramo.) La línea gradiente hidráulica estará siempre por encima del terreno.105 UNATSABAR 6. la presión representa la cantidad de energía gravitacional contenida en el agua. Entonces: P2/γ = Z1 .6 Dimensionamiento Para el dimensionamiento de la tubería.71x hf 0. -9- . L: Longitud del tramo) c) Presión En la línea de conducción. o sea P1 = 0.54 (α1: Constante) Hazen y Williams Q = α2 x D 2. conseguir presiones dentro de los rangos admisibles y disminuir los costos del proyecto. tiene la ventaja de optimizar las pérdidas de carga. Longitud de tubería de diámetro menor (m). Pérdida de carga unitaria de la tubería de mayor diámetro. Se define lo siguiente: Hf L X L-X hf1 hf2 = = = = = = Pérdida de carga total (m). Longitud de tubería de diámetro mayor (m). Pérdida de carga unitaria de la tubería de menor diámetro. es la suma de pérdidas de carga en los dos tramos de tubería (figura 7). Equilibrio de presiones dispersas d) Combinación de tuberías Es posible diseñar la línea de conducción mediante la combinación de tuberías.105 UNATSABAR NIVEL DE CARGA ESTATICA Z1 1 Hf 3 Hf 4 Hf 5 Hf 6 Hf 2 P3 / ELEVACION P4 / P5 / P6 / P2 / Z2 Z2 2 DISTANCIA Figura 6.OPS/CEPIS/04.10 - . La pérdida de carga total deseada Hf. Hf = hf2 x X + hf1 x (L-X) . Longitud total de tubería (m). OPS/CEPIS/04.1.H. las clases de tubería a seleccionarse serán definidas de acuerdo a los rangos de servicio que las condiciones de presión hidrostática le impongan (figura 2). Caudal de diseño El caudal de una línea de impulsión será el correspondiente al consumo del máximo diario para el periodo de diseño.X) LONGITUD DE MENOR DIAMETRO (X) LONGITUD TOTAL DE TUBERIA EN METROS ( L) Figura 7.G. Hf 2 TU ME BER NO IA R ø DE PRESION RESIDUAL DESEADA LONGITUD DE MAYOR DIAMETRO (L . satisfaciendo así las necesidades de la población para el día completo.11 - .G H . Caudal de bombeo = Qb = Qmd x 24 / N N = Qmd = Número de Horas de Bombeo Caudal Máximo Diario .H .105 UNATSABAR COTA Hf 1 L. Perfil de la combinación de tuberías e) Perfiles en U En zonas donde la topografía obligue el trazo de la línea de conducción con un perfil longitudinal en forma de U. Hf 1 TU B MA ERIA YO R ø DE L . habrá que incrementar el caudal de acuerdo a la relación de horas de bombeo. Tomando en cuenta que no resulta aconsejable ni práctico mantener períodos de bombeo de 24 horas diarias. 7. Diseño de la línea de impulsión 7. 7. Determinado un D. D = K x X 1/4 x Qb 1/2 X K D Qb = = = = Nº de Horas Bombeo 24 1. Hd = Altura de descarga. (altura estática total) Hs + Hd = Hg Hftotal = Pérdida de carga (totales). esto es la diferencia de nivel. esto es. Altura dinámica total (Ht) El conjunto elevador (motor-bomba) deberá vencer la diferencia de nivel entre el pozo o galería filtrante del reservorio. la altura del nivel superior con relación al eje de la bomba.2. Hg = Altura geométrica. 7. con velocidades comprendidas entre 0. Ps = Presión de llegada al reservorio (se recomienda 2 m).0 m/s y se determina las pérdidas de carga y potencia de equipo requerido en cada caso. El análisis de costos que involucra tuberías.OPS/CEPIS/04. Ht = Altura dinámica total en el sistema de bombeo. pérdidas locales debidas a las piezas y accesorios) y adicionarle la presión de llegada (figura 8). = Altura de aspiración o succión.105 UNATSABAR 7.4. altura del eje de la bomba sobre el nivel inferior. o sea. habrá que determinar las clases de tubería capaces de soportar las presiones de servicio y contrarrestar el golpe de ariete.12 - .6 a 2.3 Diámetro en m Caudal de Bombeo en m3/s. Selección de diámetros Un procedimiento para la selección del diámetro es usando la fórmula de Bresse.3. se escogen dos (2) diámetros comerciales en torno al valor de Bresse. que corresponde a: Ht = Hg + Hftotal + Ps Hs . más las pérdidas de carga en todo el trayecto (pérdida por fricción a lo largo de la tubería. Tuberías En forma similar a como se determinó para la línea de conducción por gravedad. equipo y costos de operación y mantenimiento permitirá seleccionar el diámetro de mínimo costo. Teoría Inelástica (Johnson. Cálculo del fenómeno de golpe de ariete Se calculará con las fórmulas y teorías de: Michaud. et al) y la de Allieve. Vensano.0005 x L para valores de L menores de 2000m Constante K de la tubería: K = C x Vo / (2 x g x Ho) Con K.5. En el Ábaco de Allieve en la intersección de K y N lleva las líneas diagonales dan la relación (Ho + y) / Ho donde “y” representa el aumento de presión (véase anexo 1).) Celeridad (m/s) Longitud de la tubería (m) Carga Estática (m) Velocidad en la línea (m/s) Tiempo crítico (Tc) = 2 x L / a Tiempo para que el caudal sea nulo (T) = 1 + (k x L x V x Ho / g) a = 9900/ (48+0. . se halla: N = T / Tc (Tiempo relativo de maniobra). que se resume a continuación: Datos requeridos para calcular el aumento de presión: D e g C L Ho Vo = = = = = = = Diámetro de la tubería (m) Espesor de la tuberia (m) Aceleración de la gravedad (m/s2. k = Coeficiente experimental. Puede calcularse mediante diversas metodologías. de Spare.5 x (D / e))1/2 considerando a ≤ 1000 m/s. por su simplicidad puede aplicarse la teoría de Allieve.13 - . donde k = 2-0.105 UNATSABAR LINEA DE GRADIENTE HIDRAULICA Ps Hf PERDIDA DE CARGA Ps Hg Hd Hs Figura 8.OPS/CEPIS/04. Línea gradiente hidráulica de la línea de impulsión 7. sin embargo. Tc y T. Se determina la presión a la carga total en la línea producida por el Golpe de Ariete y la clase de tubería adecuada. 105 UNATSABAR Las medidas para evitar el Golpe de Ariete son: a) Limitación de la velocidad en las tuberías. b) Cierre lento de válvulas y registros. para que se mantenga el aire comprimido en las cámaras. 7.5. construcción de piezas que no permitan la obstrucción muy rápida.6. b) Vulnerables a desprendimiento de tierra En las áreas propensas a las avalanchas hay que utilizar cruces suspendidos. El mantenimiento de estos dispositivos requieren ciertos cuidados. Esta solución es adoptadada siempre que las condiciones topográficas sean favorables y las alturas geométricas pequeñas. 8.14 - . 7. Los puntos de anclaje del cruce deben asentarse sobre terreno firme y la tubería en suspensión debe ser lo suficientemente alta para evitar ser golpeadas por deslizamiento o por detritos. Problemas especiales en el trazo de la línea de conducción e impulsión Pueden presentarse los siguientes casos: a) Zonas rocosas Tubería anclada compuesta de fierro galvanizado o resistente al intemperismo. e) Construcción de pozos de oscilación capaces de absorber los golpes. Estructuras complementarias Se mantendrá las mismas recomendaciones para el uso de las válvulas de aire y de purga del numeral 6. . Los pozos de oscilación deben ser localizados tan próximos como sea posible de la casa de máquinas. Línea gradiente hidráulica La línea gradiente hidráulica se traza partiendo de la estación de bombeo con la altura dinámica total y la presión residual de llegada al reservorio.OPS/CEPIS/04. c) Empleo de válvulas y dispositivos mecánicos especiales. f) Instalación de cámaras de aire comprimidas que proporcionen el amortiguamiento de los golpes. válvulas de alivio. permitiendo la oscilación de agua.7. d) Utilización de tuberías que puedan soportar sobrepresiones ocasionadas por el golpe de ariete. por rocas o pedregones desprendidos. . permanezcan estables. Las hondonadas más anchas tendrán que cruzarse con tubería de Fierro Galvanizado enterrado de la mejor manera posible. d) Cruce de riachuelos Los riachuelos angostos se pueden cruzar de manera similar a las hondonadas angostas. Tubería fierro galvanizado confinado en concreto armado en cruce de hondonada anchas. Las hondonadas angostas y profundas se pueden cruzar con tuberías de Fierro Galvanizado por encima de la hondonada con o sin apoyo intermedio.105 UNATSABAR c) Cruce de hondonadas Son formadas por cursos de agua temporales. por el nivel máximo de crecida. libre del máximo nivel de inundación y asegurado en las riberas. pero se debe prestar atención a que las riberas del riachuelo. e) Cruce en suspensión Pueden requerirse para tuberías suspendidas que cruce un río ancho. Para este diseño especial de ingeniería se considera: La tubería suspendida debe ser lo suficientemente alta para no ser dañada por elementos que flotan por el río. o terreno inestable sujeto a erosiones o deslizamientos. Figura 9. y confinado en concreto armado si fuera necesario (figura 9). directamente debajo del punto de cruce.OPS/CEPIS/04.15 - . o cestones. Se recomienda la construcción de muros de contención con piedra seca de albañilería. Los riachuelos más anchos requerirán un cruce en suspensión. . El cable que sujeta la tubería debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar su propio peso. .Thomas D. José Luis Fuente: Ciudad de la Habana. el de la tubería y el del agua que ella transporta. Preparado por: Ing. ya sea con varillas.A. Instituto Ecuatoriano de Obra Pública.OPS/CEPIS/04. Reglamento Nacional de Construcciones del Perú. o péndolas con grapas.R. Oceguera Gonzáles. 1988. Guía para el diseño de Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable. 2002. Título: Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable Rural: cuaderno de referencia para los técnicos de saneamiento ambiental. Sistema de Agua Potable por Gravedad para Poblaciones Rurales.1. ago. Ilus. Jordan Jr. 1980. Abastecimiento de Agua –Teoría y Diseño-simón Arocha R-Ediciones Vega S. OPS.L. Quito 1993. el balanceo y la carga de montaje. Manual de HIDRÁULICA J.3. La tubería debe estar fuertemente asegurada al cable suspendido. Las uniones de las tuberías deben ser flexibles para garantizar su alineamiento en cambios de temperatura durante el día. Marcelo Muñoz R. Eliminación de Excretas y Residuos Líquidos para Localidades del Área Rural. M Azevedo Netto-Guillermo Acosta Álvarez 1975 editorial HARLA S. código 2. Bibliografía Agua potable para poblaciones rurales. 1996.105 UNATSABAR El cable que sujeta a la tubería debe estar adecuadamente anclada en ambos extremos sobre el terreno firme.-Tecnología Intermedia. Sistema de Abastecimiento por Gravedad Roger Agüero Pittman-Asociación de Servicios Rurales (SER) 1997. así como las fuerzas generadas por el viento. José Luis. 143 p. Autor: Personal: Guillama Rodríguez.16 - . 17 - .OPS/CEPIS/04.105 UNATSABAR ANEXO . OPS/CEPIS/04.18 - . Ábaco de Allievi .105 UNATSABAR Anexo 1. Ábaco de Allievi .OPS/CEPIS/04.19 - .105 UNATSABAR Anexo1.